N-verknüpfte Glykosylierung

Biosyntheseweg von N-verknüpften Glykoproteinen: Die Synthese von N-verknüpften Glykanen beginnt im endoplasmatischen Retikulum, setzt sich im Golgi fort und endet an der Plasmamembran, wo die N-verknüpften Glykoproteine entweder sezerniert werden oder in die Plasmamembran eingebettet werden.

Die Biosynthese von N-gebundenen Glykanen erfolgt über 3 Hauptschritte:

1. Synthese des dolicholverknüpften Vorläufer-Oligosaccharids
2. En-bloc-Transfer des Vorläufer-Oligosaccharids auf das Protein
3. Verarbeitung des Oligosaccharids

Synthese, En-bloc-Transfer und anfängliches Trimmen des Vorläufer-Oligosaccharids erfolgen im endoplasmatischen Retikulum (ER). Die anschließende Verarbeitung und Modifizierung der Oligosaccharidkette erfolgt im Golgi-Apparat.

Die Synthese von Glykoproteinen ist somit räumlich in verschiedenen zellulären Kompartimenten getrennt. Daher hängt die Art des synthetisierten N-Glycans von seiner Zugänglichkeit zu den verschiedenen Enzymen in diesen Zellkompartimenten ab.

Trotz dieser Vielfalt werden alle N-Glycane über einen gemeinsamen Weg mit einer gemeinsamen Kernglycanstruktur synthetisiert, die im Wesentlichen aus zwei N-Acetylglucosamin- und drei Mannoseresten besteht. Dieses Kernglykan wird dann weiter ausgearbeitet und modifiziert, was zu einer Vielzahl von N-Glykanstrukturen führt.

Synthese von Vorläufer-OligosaccharidenBearbeiten

Der Prozess der N-gebundenen Glykosylierung beginnt mit der Bildung von Dolichol-gebundenem GlcNAc-Zucker. Dolichol ist ein Lipidmolekül, das aus sich wiederholenden Isopren-Einheiten besteht. Dieses Molekül befindet sich an der Membran des ER. Die Zuckermoleküle sind über eine Pyrophosphatbindung an das Dolichol gebunden (ein Phosphat war ursprünglich an das Dolichol gebunden, das zweite Phosphat stammt aus dem Nukleotidzucker). Die Oligosaccharidkette wird dann durch Hinzufügen verschiedener Zuckermoleküle schrittweise verlängert, um ein Vorläufer-Oligosaccharid zu bilden.

Der Aufbau dieses Vorläufer-Oligosaccharids erfolgt in zwei Phasen: Phase I und II. Phase I findet auf der zytoplasmatischen Seite des ER statt und Phase II auf der luminalen Seite des ER.

Das Vorläufermolekül, das bereit ist, auf ein Protein übertragen zu werden, besteht aus 2 GlcNAc, 9 Mannose- und 3 Glukosemolekülen.

Die schrittweise Synthese des Vorläufer-Oligosaccharids im ER-Lumen während der N-gebundenen Glykosylierung: Das Diagramm veranschaulicht die Schritte, die sowohl in der Phase I als auch in der Phase II stattfinden, wie in der Tabelle beschrieben.

Übertragung des Glykans auf das ProteinEdit

Nachdem das Vorläufer-Oligosaccharid gebildet wurde, wird das fertige Glykan auf das naszierende Polypeptid im Lumen der ER-Membran übertragen. Diese Reaktion wird durch die Energie angetrieben, die bei der Spaltung der Pyrophosphat-Bindung zwischen dem Dolichol-Glykan-Molekül freigesetzt wird.

• Es gibt drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, bevor ein Glykan auf ein naszierendes Polypeptid übertragen wird:
  • Asparagin muss sich in einer bestimmten Konsensus-Sequenz in der Primärstruktur befinden (Asn-X-Ser oder Asn-X-Thr oder in seltenen Fällen Asn-X-Cys).
  • Asparagin muss sich in der dreidimensionalen Struktur des Proteins an geeigneter Stelle befinden (Zucker sind polare Moleküle und müssen daher an Asparagin gebunden sein, das sich auf der Oberfläche des Proteins befindet und nicht im Protein vergraben ist)
  • Asparagin muss sich auf der luminalen Seite des endoplasmatischen Retikulums befinden, damit die N-gebundene Glykosylierung eingeleitet werden kann. Die Zielreste befinden sich entweder in sekretorischen Proteinen oder in den Bereichen von Transmembranproteinen, die dem Lumen zugewandt sind.

  Oligosaccharyltransferase ist das Enzym, das für die Erkennung der Konsensussequenz und die Übertragung des Vorläuferglykans auf einen Polypeptidakzeptor verantwortlich ist, der im Lumen des endoplasmatischen Retikulums übersetzt wird. Die N-gebundene Glykosylierung ist daher ein kotranslationales Ereignis

  Verarbeitung des GlykansBearbeiten

  

  Glykanverarbeitung im ER und Golgi.

  Die N-Glykanverarbeitung erfolgt im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Körper. Das anfängliche Trimmen des Vorläufermoleküls findet im ER statt und die anschließende Verarbeitung erfolgt im Golgi.

  Bei der Übertragung des fertigen Glykans auf das entstehende Polypeptid werden zwei Glukosereste aus der Struktur entfernt. Enzyme, die als Glycosidasen bekannt sind, entfernen einige Zuckerreste. Diese Enzyme können glykosidische Bindungen mit Hilfe eines Wassermoleküls aufbrechen. Diese Enzyme sind Exoglykosidasen, da sie nur auf Monosaccharidreste wirken, die sich am nicht reduzierenden Ende des Glykans befinden. Es wird angenommen, dass dieser erste Trimmschritt als Qualitätskontrolle im ER dient, um die Proteinfaltung zu überwachen.

  Wenn das Protein korrekt gefaltet ist, werden zwei Glukosereste durch Glucosidase I und II entfernt. Die Entfernung des letzten, dritten Glukoserestes signalisiert, dass das Glykoprotein für den Transport vom ER zum cis-Golgi bereit ist. Die ER-Mannosidase katalysiert die Entfernung dieser letzten Glukose. Wenn das Protein jedoch nicht richtig gefaltet ist, werden die Glukosereste nicht entfernt, so dass das Glykoprotein das endoplasmatische Retikulum nicht verlassen kann. Ein Chaperonprotein (Calnexin/Calreticulin) bindet an das ungefaltete oder teilweise gefaltete Protein, um die Faltung des Proteins zu unterstützen.

  Der nächste Schritt umfasst das Hinzufügen und Entfernen weiterer Zuckerreste im cis-Golgi. Diese Modifikationen werden durch Glykosyltransferasen bzw. Glykosidasen katalysiert. Im cis-Golgi entfernt eine Reihe von Mannosidasen einige oder alle der vier Mannosereste in α-1,2-Bindungen. Im medialen Teil des Golgi hingegen fügen Glykosyltransferasen Zuckerreste an die Kernglykanstruktur an, wodurch die drei Haupttypen von Glykanen entstehen: mannosereiche, hybride und komplexe Glykane.

  

  Die drei Haupttypen von Glykanen.

  • Hochmannose ist im Wesentlichen nur zwei N-Acetylglucosamine mit vielen Mannoseresten, oft fast so viele wie in den Vorläufer-Oligosacchariden, bevor sie an das Protein gebunden werden.
  • Komplexe Oligosaccharide werden so genannt, weil sie fast eine beliebige Anzahl anderer Saccharidtypen enthalten können, einschließlich mehr als die ursprünglichen zwei N-Acetylglucosamine.
  • Hybride Oligosaccharide enthalten einen Mannoserest auf einer Seite der Verzweigung, während auf der anderen Seite ein N-Acetylglucosamin eine komplexe Verzweigung einleitet.

  Die Reihenfolge, in der die Zucker an die wachsenden Glykanketten angehängt werden, wird durch die Substratspezifität der Enzyme und ihren Zugang zum Substrat auf ihrem Weg durch den Sekretionsweg bestimmt. Somit spielt die Organisation dieser Maschinerie innerhalb einer Zelle eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, welche Glykane hergestellt werden.

  Enzyme im GolgiEdit

  Golgi-Enzyme spielen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Synthese der verschiedenen Glykanarten. Die Reihenfolge der Wirkung der Enzyme spiegelt sich in ihrer Position im Golgi-Stapel wider:

  Enzyme	Lage im Golgi
  Mannosidase I	cis-.Golgi
  GlcNAc-Transferasen	mediales Golgi
  Galactosyltransferase und Sialyltransferase	trans-Golgi

  In Archaea und ProkaryotenEdit

  Ähnliche N-Glykan-Biosynthesewege wurden in Prokaryoten und Archaea gefunden. Im Vergleich zu Eukaryoten scheint sich die endgültige Glykanstruktur in Eubakterien und Archaeen jedoch nicht wesentlich von der ursprünglichen Vorstufe zu unterscheiden, die im endoplasmatischen Retikulum gebildet wird. Bei Eukaryonten wird das ursprüngliche Vorläufer-Oligosaccharid auf dem Weg zur Zelloberfläche umfassend modifiziert.